Эволюция Вселенной и происхождение жизни - Теерикор Пекка - Страница 36

Длина волны (в сантиметрах) максимума в излучении (λ_max) зависит от температуры (T), выраженной в кельвинах (К), следующим образом:

λ_max(см) = 0,2898/T

Большинство небесных тел светят потому, что они очень горячие. О температуре тела можно судить по области длин волн, в которой излучение максимально сильное. Оптическое (видимое) излучение приходит от звезд, похожих на Солнце (температура около 6000 К), а очень горячие звезды (скажем, 30 000 К) излучают ультрафиолетовый свет. Инфракрасный свет излучается намного более холодными планетами и межзвездной пылью. Рентгеновское излучение исходит, например, из солнечной короны или от газа с температурой в миллионы градусов, заполняющего скопления галактик.

Когда тело нагревают, то не только смещается в голубую сторону цвет его максимально яркого излучения, но и возрастает общая мощность излучения (энергия, отданная за секунду). Австрийский физик Йозеф Стефан (1835–1893) предложил формулу (закон Стефана): мощность излучения тела пропорциональна четвертой степени его температуры в градусах Кельвина.

Напомним, что градусы Кельвина (К) получаются из градусов Цельсия, если прибавить к ним 273. Нулевая точка на шкале Кельвина соответствует самой низкой возможной температуре, называемой абсолютным нулем и равной -273 °C. Ввел точку абсолютного нуля на шкале температур Уильям Томсон (1824–1907). Отец Томсона был профессором математики в университете г. Глазго. Он брал маленького сына слушать свои лекции. В возрасте 10 лет Уильям официально стал студентом университета и в 15 лет уже читал книги ведущих физиков. Через два года его зачислили в Кембриджский университет. На экзамене по математике в Кембридже он занял только второе место, и это вызвало у него большое разочарование. Когда в 1846 году отец умер, Уильям занял его место профессора в университете Глазго. В этой должности он оставался 53 года.

Исследования Томсона в области термодинамики привели его в 1848 году к мысли о введении абсолютной шкалы температур. В точке абсолютного нуля на этой шкале тепловое движение молекул теоретически должно прекратиться. Абсолютная шкала температур Кельвина, как ее сейчас называют, получила свое название по титулу лорда Кельвина Ларгского, который он получил от Британского правительства в 1892 году. Кельвин — это река, протекающая невдалеке от университета, где работал Уильям Томсон.

Мы прошли немалый путь для разгадки природы света: описали его свойства как волнового явления и обсудили некоторые приемы, позволяющие измерить по спектру скорости отдаленных звезд, их химический состав и температуру поверхности. Но чтобы лучше понять роль света в физической реальности, мы должны теперь обратиться к другим явлениям — электричеству и магнетизму.

К началу первого десятилетия XVIII века из всех областей физики только механика обрела вид, близкий к современному. После смерти Ньютона в 1717 году другой важный раздел физики — исследование электричества и магнетизма — все еще оставался совершенно не разработанным. Наиболее важные открытия в этой области были сделаны в течение следующего столетия, и они неожиданно, как это часто бывает в науке, привели к новому, единому взгляду на электромагнетизм, свет и другие виды излучения.

Разумеется, о естественно намагниченной железной руде, магнетите, было известно еще в античные времена. Кроме того, об электростатическом притяжении янтаря, среди прочих, упоминал еще Платон. Но пионером научного изучения электричества и магнетизма можно считать Уильяма Гильберта (1544–1603), придворного врача королевы Елизаветы I. Гильберт учился медицине и математике в Кембридже, затем работал врачом в Лондоне. Он был сторонником Коперника и его теории о движении Земли. Исследования по физике, которой Гилберт занимался в свободное время, появились в 1600 году в его книге «О магните».

Гильберт рассматривал электричество как жидкость, которая возникает или переносится при трении, например, когда янтарь натирают мехом. Он назвал эту жидкость «электрика», по греческому названию янтаря (многие родственные слова, произошли от этого термина, например электрон). Он показал также, что Земля является огромным магнитом, и изучал ее свойства, используя миниатюрную модель из магнетита (рис. 13.1). Это помогло ему объяснить, почему стрелка компаса указывает направление север-юг. Истинный магнитный полюс Земли расположен на широте 83°, в Северной Канаде, и медленно смещается к северу примерно на 40 км в год. По определению, северным полюсом магнитной стрелки называют тот ее конец, который смотрит на север. Как мы знаем, Кеплер рассматривал роль магнетизма в движении планет; теперь очевидно, что он заблуждался.

Рис. 13.1. Иллюстрация из книги Уильяма Гильберта «О магните», Гильберт знал, что на стрелку компаса влияет магнитное поле Земли, которое он называл Orbis virtutis В Китае компасом пользовались уже в первые века нашей эры, а в Европе о нем узнали в XIII веке. На рисунке северный и южный магнитные полюса расположены слева и справа.

Другой англичанин, Стефен Грей (1666–1736), объявил в 1729 году, что электричество, полученное в результате трения, можно перемещать с места на место. В зависимости от способности пропускать через себя электричество он разделил вещества на проводники (например, медь) и изоляторы (например, стекло). Француз Шарль Дюфе (1698–1739) слышал о работах Грея и начал собственное исследование. Он пришел к выводу, что существует два вида электричества — стеклянное и янтарное (или смоляное). Первый вид возникает, например, при трении стекла шелковой тканью, а второй — в янтаре, когда его трут мехом. Он сделал такое заключение, заметив, что тела, заряжающиеся схожим электричеством, отталкиваются друг от друга, в то время как тела с противоположным электричеством притягивают друг друга.

Открытие Дюфе можно было интерпретировать по-разному: либо действительно существует два вида электрической жидкости, или же есть жидкость одного вида, но возможен ее избыток или дефицит, как предполагал, например, Бенджамин Франклин. Он считал стеклянное электричество реальным, положительным электричеством, а янтарное электричество представлял как нехватку, или отрицательное электричество. По его мнению, трение или любое другое действие и не создают, и не разрушают электричество, а всего лишь приводят к передаче электричества от одного тела к другому. Таким образом, он предчувствовал закон сохранения электрического заряда, один из краеугольных камней современной физики. Ту же идею еще раньше предлагал Уильям Уотсон (1715–1787).

Франклин был не только одним из «отцов-основателей» во время Американской революции, но и изобретателем эффективной «печи Франклина», бифокальных очков и громоотвода. Он начинал подмастерьем переплетчика, став затем торговцем книгами и издателем. Случайно, в Бостоне, Франклин посетил выставку чудес электричества и был так очарован, что следующие 10 лет изучал электричество. Но еще он был вынужден заниматься дипломатической работой, помогая в создании Декларации независимости, Конституции США и служа американским послом в Париже (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Бенджамин Франклин (1706–1790) был эрудитом, диапазон интересов которого простирался от электричества до дипломатии.

Когда мы анализируем электрическое притяжение и отталкивание, совершенно естественно сравнить их с гравитацией Ньютона. Кроме того, что для электрической силы характерны два вида заряда, она является более сильной версией закона сил Ньютона, что облегчает исследования. Английский теолог и физик Джозеф Пристли (1733^_18°4) первый продемонстрировал, что закон силы между зарядами является законом обратных квадратов, как и закон гравитации Ньютона. Наиболее детальные исследования электрической силы провел Шарль Кулон (1736–1806) во Франции, поэтому закон действующей между электрическими зарядами силы назвали законом Кулона.